钟家山煤矿区采煤沉陷发育特征及发展趋势分析

徐 超， 胡秋祥， 石 磊， 徐卫东

(1.东华理工大学水资源与环境工程学院，南昌 330013；2.江西省煤田地质勘察研究院，南昌 330001)

0 引言

经济的发展需要大量的矿产资源作为支撑，尤其是煤炭资源，作为我国主要的能源，需求量是十分巨大的，全国85%的电力都是依赖煤炭发电的，此外作为化工原料还主要用于冶金、建材、化工等方面，煤炭资源在国民经济中扮演着十分重要的角色。然而地下煤炭开采后形成了大面积的地下采空区，造成地表出现塌陷坑、房屋开裂、农田下沉无法耕种等现象[1]，严重影响和制约当地的生产、生活和经济发展[2-4]。

1 矿区概况

1.1 自然地理环境

钟家山煤矿区位于乐平市南东13km，区内为起伏不平的丘陵地形，最低标高18m，最高标高75.5m，最大相对高差57.5m。区内地表水系较发育，最大的河流为乐安江，历史最高洪水位29.67m，最低枯水位17.92m。历年最大流量5 320m3/s，最小流量9.45 m3/s。区内气候属温暖潮湿型，降水丰富，年最大降雨量1 914mm，年最小降雨量1 551mm，年最大蒸发量1 289mm，年最小蒸发量1 150mm，4～7月份为雨季，常降暴雨引起山洪暴发。

1.2 地质

根据钻孔揭露情况，区内发育地层由新到老有：第四系(Q)、侏罗系下统门口山组(J1m)及二叠系上统乐平组(P3l)。

矿区位于竹山里-桥头丘向斜的东北端，主体构造走向呈北东向展布，区内发育次一级褶曲，断裂发育并有岩浆岩侵入。

1.3 煤层

二叠系上统乐平组老山段是本区主要含煤地层，其保有平均厚度约125m，老山段共含煤五层即B2、B3、B4、B5及B6煤层，平均总厚约4.30m。其中以B2与B3煤层为主采煤层，煤层产状变化较大，倾角从20°～48°，平均约为35°。煤层顶板岩性以泥岩、页岩为主，为易冒落至中等冒落顶板。

表1 矿区各煤层厚度变化及层间距表Table 1 Mine area coal seam thickness variations and seam intervals

1.4 开采概况

本区煤矿开采历史悠久，自清末期间就有当地农民进行开采，区内老窑密布，河西老窑主要分布在茶亭至钟家社区以及竹家岭西北区域；河东老窑主要集中在竹山里至小院前一带的区域内，据老窑调查资料显示，垂深70m以上煤层均遭破坏。

自1955年起，钟家山煤矿开始进行正规开采，其开采历经钟家山煤矿(河西)、钟家山煤矿(河东)和河西斜井煤矿三个阶段，采煤方法均为走向长壁后退式、冒落法管理顶板，顶板支护采用杂木架厢支护。

根据表2，矿区采深大小范围为10～300m，倾角29°～41°，采厚0.85～4.30m，采深、倾角、采厚变化均比较大。

钟家山煤矿区经过数十年的开采，井下的资源储量基本开采完毕，已形成自东竹山里经乐安江河下至河西钟家山地下大片采空区。

表2 矿区各阶段开采情况表Table 2 Mine area staged mining situations

2 采煤沉陷形成机理及影响因素

2.1 采煤沉陷形成机理

煤层开采后，采空区主要依靠洞壁和保安煤柱维持围岩稳定，但由于在岩体内部形成一个空洞，使其天然应力平衡状态受到破坏，产生局部的应力集中。当采空区面积较大、围岩强度不足以抵抗上覆岩土体重力时，顶板岩层内部形成的拉张应力超过岩层抗拉度极限时产生向下的弯曲和移动，进而发生断裂、破碎并相继冒落，随着采掘工作面的向前推进，受影响的岩层范围不断扩大，采空区顶板在应力作用下不断发生变形、破裂、位移和冒落，自下而上出现冒落带、裂隙带和下沉带，结果在地表形成塌陷盆地。

2.2 地表沉陷规律及影响因素分析

地表沉陷即地表移动变形，是指采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形。

地表沉陷规律[2]是指地下开采引起的地表移动和变形的大小、空间分布形态，及其与地质采矿条件的关系。

当采深和采厚的比值较大时，地表的移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的，具有明显的规律性。当采深和采厚的比值较小或具有较大的地质构造时，地表的移动和变形在空间和时间上将是不连续的，移动和变形的分布没有严格的规律性，地表可能出现较大的裂缝或沉陷坑。

地表沉陷的影响因素众多，主要因素有：煤层埋藏深度、煤层开采厚度、煤层上覆岩性结构、地质构造以及地表地形特征等因素[2-7]。

(1)煤层埋藏深度：矿区煤层埋藏深度为10～300m，在煤层埋藏较浅的部位，采动对地面的影响大，反之则小。

(2)煤层开采厚度：矿区开采煤层最小厚度为0.85m，最大厚度为4.30m，在煤层厚度较小处，开采后地表变形值相应要小，反之则大。

(3)煤层上覆岩性结构：区内煤层上覆岩性结构主要由页岩、砂质页岩组成，总体来说，煤层上覆岩层比较坚硬，这对地面建筑物的保护有利。

(4)地质构造：区内断层等地质构造相对发育地段，煤层采动后对地表变形影响较大。

(5)地表地形特征：区内地形总体比较平缓，没有大的山体，不会因采动引起山体滑移致使地表移动变形加剧。

3 采煤沉陷特征

3.1 采煤沉陷类型

区内采煤沉陷比较发育，截至2017年12月，采煤沉陷在地表破坏形式主要有地面塌陷坑、裂缝(包括地面裂缝和房屋等建筑物裂缝)、沉陷洼地等3种类型，尤以地面塌陷坑最为直观、破坏性最大。地面塌陷坑特征见表3。

表3 矿区地面塌陷坑特征Table 3 Mine area surface sinkhole characteristics

3.2 采煤沉陷分布特征

区内采煤沉陷发生时间相对集中，主要发生于1960年代初期、1980年代中后期及1990年代初期三个集中期，与区内采煤活动发生时间相吻合。采煤沉陷灾害分布见图1。

1960年代初期，采煤沉陷主要发生于钟家山煤矿(河西)矿区范围内，这期间采煤沉陷的表现形式主要为裂缝和沉陷洼地。北部煤层埋藏较浅地表变形严重，南部煤层埋藏较深地表变形轻微。如资料记载的1961年8月对某工作面进行开采后，仅相距4个月左右的时间，至1961年12月就开始出现地面沉陷现象。矿区北部地表出现地面沉陷，面积为15 000m2，东西宽100m，南北长为150m，呈椭圆形盆地，由采空区边缘到最外裂缝之间为破坏带，其宽度为28～31m，破坏带由7条主要大裂缝围绕下沉中心构成20°交角互成X型破裂带，而表土层裂缝实测倾角为90°，深部情况不明，其沉陷宽度37～50m，共经历25个月才稳定下来。南部由于地质条件(煤层埋藏深)的改变，沉陷轻微，曾发现呈85°角的裂缝，下沉最大深度为0.675 5m。

1980年代中后期采煤沉陷主要发生于钟家山煤矿(河东)矿区范围内，这期间采煤沉陷的表现形式主要为地面塌陷坑和房屋开裂，且都分布在采空区对应的地表区域。钟家山煤矿(河东)矿区范围内的桃园村、西桥村等曾于1985—1987年先后出现多处地面塌陷坑和房屋开裂现象。

1990年代初期采煤沉陷现象在河西和河东均有发生，且以地面塌陷坑为主。这一时期钟家山煤矿已经基本处于停产关停状态，而私人无证小煤窑极度盛行，无序开采保安煤柱和浅层煤层，遗留了大量的废弃巷道、井筒及采坑等，为地面塌陷坑的形成提供了条件。如1990年发生于河西钟家村的地面塌陷坑就位于废弃巷道正上方；1995年发生于小院前的塌陷坑就是废弃采坑引起的。

2014年至2017年期间，钟家村茶亭组西南侧的农田内陆续发生6处塌陷，塌陷坑分布位置大致呈南北向展布，平面形态均呈近圆形，直径最大者达5m，最小者近2m，坑深最大达10m，目前陷坑多已充水。在塌陷坑旁发现废弃的井筒，经访问当地村民，此地曾有私人小煤窑于1990年代期间进行过短暂采煤活动，后因整改而关闭。分析主要原因为该区域地下存在废弃巷道，并且未进行过充填，历经数年的地质环境变化，巷道顶部冒落裂隙带沟通第四系含水层，引起地下水位的变动，不断对第四系松散层(黏土、砂砾石)进行冲刷、淘蚀，进而导致地面塌陷。

图1 采煤沉陷灾害分布图Figure 1 Coal mining subsidence hazard distribution

3.3 采煤沉陷发育特征分析

区内采煤活动引起的地面沉陷具有明显的差异性，以下三个区域内采煤沉陷灾害尤为发育。

(1)在采空区及巷道分布的区域，对应的地表采煤沉陷灾害(地面塌陷、裂缝、地面下沉)发育程度强、规模也往往较大；

(2)在煤层埋藏浅、开采厚度大的区域，采煤沉陷灾害发育；

(3)在老窑密布区，由于无序开采、全顶板冒落，采煤沉陷灾害发育。

4 采煤沉陷发展趋势

2017年5月，通过对钟家山煤矿区及矿区外围进行访问和实地调查核实后，对区内采煤沉陷发展趋势有如下认识：

(1)采煤沉陷区基本稳定。采煤沉陷区已基本无沉陷迹象，开裂的老房子也已基本拆掉重建。曾发生过地面塌陷的区域(如浯口镇桃园村下港组以东至原钟家山煤矿(河东)矿部)如今也已经新建大量楼房，均未发现房屋开裂现象。原沉陷的农田也已与周围环境基本一致，能正常耕种。

(2)老窑区仍存在地面塌陷隐患。接渡镇钟家村茶亭组西南侧区域内(区内曾一度盛行偷采滥采的私人小煤窑)在最近五年内仍有地面塌陷的发生，将来老窑采空区发生地面塌陷的可能性高。

5 结语

(1)区内采煤沉陷发生时间与采煤活动一致，始发于20世纪60年代初期，盛发于80年代中后期，20世纪90年代中后期趋于减弱。

(2)采煤沉陷表现形式以裂缝、塌陷坑为主，主要发育于采空区、巷道及老窑分布区域。

(3)区内采煤引起的沉陷变形已基本趋于稳定，局部老窑采空区仍需加强防范地面塌陷隐患。